CN106323501B - 基于光纤光栅的旋转机械的温度测量方法及装置 - Google Patents
基于光纤光栅的旋转机械的温度测量方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106323501B CN106323501B CN201610707508.4A CN201610707508A CN106323501B CN 106323501 B CN106323501 B CN 106323501B CN 201610707508 A CN201610707508 A CN 201610707508A CN 106323501 B CN106323501 B CN 106323501B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fiber grating
- bull wheel
- temperature
- fbg
- wavelength
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 129
- 238000004861 thermometry Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 244000309464 bull Species 0.000 claims abstract description 69
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 24
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 5
- 239000000565 sealant Substances 0.000 claims description 5
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 5
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 claims description 4
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 4
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 claims description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 15
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 15
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 102100024513 F-box only protein 6 Human genes 0.000 description 8
- 101001052796 Homo sapiens F-box only protein 6 Proteins 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 102100022116 F-box only protein 2 Human genes 0.000 description 6
- 101000824158 Homo sapiens F-box only protein 2 Proteins 0.000 description 6
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 6
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 2
- 230000001568 sexual effect Effects 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000012417 linear regression Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 230000019491 signal transduction Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
- G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
- G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
- G01L1/246—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
本发明提出一种基于光纤光栅的旋转机械的温度测量方法及装置，其中方法包括以下步骤：将中心波长各不相同的光纤光栅粘于大轮的一侧，在大轮另一侧对称的位置粘贴同样中心波长的光纤光栅，并依次标号；将光纤光栅通过旋转连接器连接到解调仪上；控制大轮变频电机的转速，随着大轮的旋转，大轮与小轮的接触点摩擦生热，并传递给光纤光栅；解调仪内置的光源通过旋转连接器传输到光纤光栅中，光纤光栅的波长随温度的变化而变化，产生温度信号；解调仪将光纤光栅的温度信号进行解调并将解调信号发送给工控机；工控机接收解调信号并对其进行采集与分析，并根据采集和分析结果绘制各个光纤光栅的波长‑时间变化图。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感领域，尤其涉及一种基于光纤光栅传感技术的旋转机械的温度测量方法及装置
背景技术
当光栅周围的温度、应变发生变化时，会影响光栅的条文周期或者纤芯折射率的变化，从而使光纤光栅的中心波长产生变化。在实际试验中布拉格光纤光栅反射波长的变化量同时受到温度和应力的影响，而且这种影响不是相互独立而是相互作用的，这样就给实际试验中的测量带来一定的困难。当温度和应力同时变化时，一般解调软件很难区分出温度和应力各自的变化情况，这一情况就称为“交叉敏感”。现有技术中很多实验都不能很好的解决该交叉敏感问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的上述“交叉敏感”的缺陷，提供一种当温度和应力同时变化时，可区分出温度和应力各自变化的基于光纤光栅传感技术的旋转机械的温度测量方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种基于光纤光栅的旋转机械的温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将中心波长各不相同的光纤光栅粘于大轮的一侧，在大轮另一侧对称的位置粘贴同样中心波长的光纤光栅，并依次标号；
将光纤光栅通过旋转连接器连接到解调仪上；
控制大轮变频电机的转速，随着大轮的旋转，大轮与小轮的接触点摩擦生热，并传递给光纤光栅；
解调仪内置的光源通过旋转连接器传输到光纤光栅中，光纤光栅的波长随温度的变化而变化，产生温度信号；
解调仪将光纤光栅的温度信号进行解调并将解调信号发送给工控机；
工控机接收解调信号并对其进行采集与分析，并根据采集和分析结果绘制各个光纤光栅的波长-时间变化图。
本发明所述的方法中，大轮两侧分别均匀粘贴至少4个光纤光栅。
本发明所述的方法中，控制大轮在不同的转速下持续预设时间，并记录相应的温度信号。
本发明所述的方法中，光纤光栅均沿大轮直径方向固定。
本发明还提供了一种基于光纤光栅的旋转机械的温度测量装置，包括：
转动装置，包括大轮、小轮、齿轮箱、变频电机和变频器，大轮的一侧粘贴有中心波长各不相同的光纤光栅，大轮另一侧的对称位置粘贴同样中心波长的光纤光栅，每个光纤光栅均被依次标号，该大轮在变频电机的带动下发生旋转；小轮，与大轮接触，在大轮旋转时，小轮随之转动；
解调仪，通过旋转连接器与光纤光栅连接；解调仪内置的光源通过旋转连接器传输到光纤光栅中，光纤光栅的波长随温度的变化而变化，产生温度信号；解调仪将光纤光栅的温度信号进行解调，并将解调信号发送给工控机；
工控机，与变频器连接，用于控制大轮的变频电机的转速，随着大轮的旋转，大轮与小轮的接触点摩擦生热，并传递给光纤光栅；该工控机还用于接收解调仪发送的解调信号，并进行采集和分析，最后根据采集和分析结果绘制各个光纤光栅的波长-时间变化图。
本发明所述的装置中，所述旋转连接器为非接触式光纤连接器，其内部设有光纤旋转接头，该光纤旋转接头的一端连接旋转中的光纤光栅的光纤接头，该光纤旋转接头的另一端不旋转且通过焊接跳线连接到解调仪上。
本发明所述的装置中，该装置包括8根光纤光栅，该8根光纤光栅焊接在一起，再通过一根跳线接入解调仪。
本发明所述的装置中，光纤光栅采用密封胶封装。
本发明所述的装置中，所述密封胶为环氧树脂AB胶。
本发明产生的有益效果是：本发明提供了一种基于光纤光栅传感技术的旋转机械的温度测量方法及装置，在大轮两端相同位置上对称粘贴了FBG，所以实验过程中，在整数个周期内，两端的应变Δε为零。这样就解决了交叉敏感问题，可以同时测得温度和应变。这种测量方法可以应用于温度发生变化的旋转机械,尤其见长于温度发生瞬态变化的场合，例如可以测量滚动接触点的瞬态温度并与其它非接触点的温度进行对比。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1(a)为本发明实施例大轮一侧光纤光栅分布图；
图1(b)为本发明实施例大轮另一侧光纤光栅分布图；
图2为本发明实施例基于光纤光栅传感技术的旋转机械的温度测量装置；
图3(a)为本发明实施例FBG1的温度敏感特性曲线；
图3(b)为本发明实施例FBG2的温度敏感特性曲线；
图4(a)为在转速为100r/min的3号光栅波长图；
图4(b)为在转速为100r/min的4号光栅波长图；
图4(c)在转速为100r/min的7号光栅波长图；
图4(d)在转速为100r/min的8号光栅波长图；
图5(a)在转速为200r/min的3号光栅波长图；
图5(b)在转速为200r/min的4号光栅波长图；
图5(c)在转速为200r/min的7号光栅波长图；
图5(d)在转速为200r/min的8号光栅波长图；
图6是本发明实施例基于光纤光栅传感技术的旋转机械的温度测量方法流程图；
图7是本发明实施例小轮装配机构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实验原理
光纤光栅传感器是利用布拉格波长对温度、应变的敏感特性而制成的一种新型的光纤传感器。根据光纤耦合模理论，当宽带光在光纤光栅中传输时，将产生模式耦合，满足布拉格条件的光被反射，光纤布拉格光栅(FBG)的中心反射波长为：
λB＝2neff·Λ (1)
式中，neff为导模的有效折射率，Λ为光栅周期。
当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回原路。对其取微分得：
ΔλB＝2neff·ΔΛ+2Δneff·Λ (2)
由式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长λB随neff和Λ的改变而改变，FBG对于应变和温度都是敏感的，应变影响λB是由弹光效应和光纤光栅周期Λ的变化引起的，温度影响λB则是由热光效应和热膨胀效应引起的。对光纤光栅的温度—应变传感测量，Bragg波长λB是温度T、应变ε的函数，即
λB＝λB(ε,T) (3)
当温度发生变化(ΔT)时，由于热膨胀效应使光纤光栅伸长而改变其光栅周期，可以表示为：
式中，α为材料的膨胀系数。对于掺锗石英光纤，α取为5.5×10-7C-1。
另一方面，由于热光效应使光栅区域的折射率发生变化，可以表示为：
式中，V为光纤的归一化频率。温度变化引起的光纤光栅波长漂移主要取决于光热效应，它
占热漂移的95％左右，可以表示为：
式中，ξ为热光系数。硅纤中ξ＝6.67×10-6C-1。则(5)可以简化为：
将上式(4)、(7)代入(2)式中，得到温度对光纤光栅波长漂移的影响为：
ΔλB(T)＝2neffΛ·αΔT+2neffΛ·ξΔT＝λB(α+ξ)ΔT
当外界应变作用于光纤光栅上时，一方面使光纤光栅被机械性的拉长而导致周期Λ产生变化，可以表示为：
另一方面，弹光效应使光纤光栅折射率发生变化，可以表示为：
对上式(9)两端同时除以neff可得：
式中，P1j(j＝1，2)为pockel系数，ν是泊松比，定义有效弹光系数Pe：
则上式(10)可以转化为：
将上式(8)、(12)代入(2)式中，得到应变对光纤光栅波长漂移的影响为：
ΔλB(ε)＝2neffΛ·Δε-2neffΛ·PeΔε＝λB(1-Pe)Δε
由于光纤光栅的中心反射波长λB是neff和Λ的函数，λB随neff和Λ的改变而改变，故FBG对于应变和温度都是敏感的，所以光纤光栅中心反射波长的漂移是由温度和应变共同影响的，则可以表示为：
ΔλB＝λB(α+ξ)ΔT+λB(1-Pe)Δε
已知温度灵敏度系数KT和应变灵敏度系数Kε可以分别表示为：
则光纤光栅中心反射波长的变化量ΔλΒ与温度变化量ΔT和应变变化量Δε的关系可表示为：
ΔλB＝KTΔT+KεΔε
式中，KT为温度灵敏度系数，可以通过温度标定实验测得；Kε为应变灵敏度系数。
当光纤光栅用于传感测量时，由于应变和温度都会引起布拉格波长的变化，单个光纤布拉格光栅本身无法分辨出应变和温度分别引起的布拉格波长的改变，从而无法实现精确的测量。解决这一问题大都基于双波长光纤光栅矩阵运算法的思想。
由于在大轮两端相同位置上对称粘贴了FBG，所以实验过程中，在整数个周期内，两端的应变Δε为零。这样就解决了交叉敏感问题，可以同时测得温度和应变。
综上，最终的方案示意图如图1所示：光纤光栅以这种横向的粘贴法(即光纤光栅沿大轮的直径方向粘贴)也可以极大的降低应变对波长的影响从而突出温度对波长的影响，因为试验要测得轮轨接触点的温度，所以光纤光栅应该尽可能的粘贴于靠近轮子的地方来提高测量精度，而轮子的一面贴上四个也是为了提高测量的精度。当然为了测量更精确，根据大轮的直径可以在一侧贴6个、8个等等。
具体地，如图2所示，本发明实施例的基于光纤光栅传感技术的旋转机械的温度测量装置包括：
转动装置，包括大轮、小轮、齿轮箱、变频电机和变频器，大轮的一侧粘贴有中心波长各不相同的光纤光栅，大轮另一侧的对称位置粘贴同样中心波长的光纤光栅，每个光纤光栅均被依次标号，该大轮在变频电机的带动下发生旋转；小轮，与大轮接触，在大轮旋转时，小轮随之转动；
解调仪，通过旋转连接器与光纤光栅连接；解调仪内置的光源通过旋转连接器传输到光纤光栅中，光纤光栅的波长随温度的变化而变化，产生温度信号；解调仪将光纤光栅的温度信号进行解调，并将解调信号发送给工控机；
工控机，与变频器连接，用于控制大轮的变频电机的转速，随着大轮的旋转，大轮与小轮的接触点摩擦生热，并传递给光纤光栅；该工控机还用于接收解调仪发送的解调信号，并进行采集和分析，最后根据采集和分析结果绘制各个光纤光栅的波长-时间变化图。
旋转连接器为非接触式光纤连接器，其内部设有光纤旋转接头，该光纤旋转接头的一端连接旋转中的光纤光栅的光纤接头，该光纤旋转接头的另一端不旋转且通过焊接跳线连接到解调仪上。
如图1所示，本发明的一个实施例中，有8根光纤光栅，该8根光纤光栅焊接在一起，再通过一根跳线接入解调仪。
本发明的一个较佳实施例中，如图7所示，通过小轮装配机构来实现小轮和冲角调节器与大轮的配合。小轮装配机构包括小轮1、胀紧套2、角接触球轴承3、小轮转轴4、支架5、转向盘6、大齿轮7、小齿轮8、蜗轮9、蜗杆10、小齿轮轴11、大齿轮轴12、螺栓13、螺母14等。其中，小轮主要用来模拟火车轮轨，由于胀紧套对中精度好，安装、拆卸便利，故利用高强度的拉力螺栓的作用，在胀紧套的内环和小轮转轴之间、胀紧套的外环和小轮轮毂之间产生抱紧力，进而实现小轮和小轮转轴的连接；角接触球轴承的内圈与小轮转轴，外圈与支架均采用过渡配合连接，故角接触球轴承用于支撑小轮转轴和小轮，降低旋转过程中的摩擦系数并保证其回转精度，小轮利用胀紧套安装在小轮转轴上，故小轮转轴用于承受小轮在转动工作中的弯矩和转矩，支架利用小轮转轴来支撑小轮，用螺栓将支架底面连接并紧固在转向盘上，使小轮、支架、转向盘成为一个整体，故可以通过改变转向盘的旋转角度来调整小轮与大轮间的冲角；将转向盘和大齿轮安装到大齿轮轴两端，然后在两端旋上并拧紧螺母，将二者固定在大齿轮轴上，使转向盘和大齿轮通过大齿轮轴连接起来；将蜗轮和小齿轮安装到小齿轮轴两端，然后在两端旋上并拧紧螺母，将二者固定在小齿轮轴上，使蜗轮和小齿轮通过小齿轮轴连接起来，并且要使小齿轮与大齿轮啮合以传递转矩，最后在蜗轮下方安装蜗杆并使蜗杆与蜗轮啮合以传递转矩，当使用工具旋转蜗杆时，由于蜗杆与蜗轮啮合使得蜗轮旋转，并且蜗杆与蜗轮按1:60传动，蜗轮通过小齿轮轴带动小齿轮旋转，由于小齿轮与大齿轮啮合使得大齿轮旋转，并且小齿轮与大齿轮按1:6传动，大齿轮通过大齿轮轴带动转向盘旋转，由于小轮通过胀紧套、小轮转轴、轴承和支架固定在转向盘上，使小轮和转向盘形成一个整体，故小轮随着转向盘一起旋转，使小轮与大轮之间形成一定冲角，又由于转矩在传递过程中总的传动比为1:360，故当蜗杆旋转一圈(即360°)时，传动到小轮时小轮旋转1°并使小轮与大轮之间形成1°冲角。
根据上述实施例的装置，基于光纤光栅传感技术的旋转机械的温度测量方法，如图6所示，包括以下步骤：
S1、将中心波长各不相同的光纤光栅(如图1所示，大轮正、反面上的8根光纤光栅按其标号顺序从1～8依次首尾相连并焊接在一起，即各个光纤光栅按标号顺序串接起来，以便于将8根光纤光栅的波长进行比较，从而解决交叉敏感问题，并同时测量温度和应变。另外，在8号光纤光栅的另一端与光纤跳线相连)粘于大轮的一侧，在大轮另一侧对称的位置粘贴同样中心波长的光纤光栅，并依次标号；
S2、将光纤光栅通过旋转连接器连接到解调仪上；
S3、控制大轮变频电机的转速，随着大轮的旋转，大轮与小轮的接触点摩擦生热，并传递给光纤光栅；
S4、解调仪内置的光源通过旋转连接器传输到光纤光栅中，光纤光栅的波长随温度的变化而变化，产生温度信号；
S5、解调仪将光纤光栅的温度信号进行解调并将解调信号发送给工控机；
S6、工控机接收解调信号并对其进行采集与分析，并根据采集和分析结果绘制各个光纤光栅的波长-时间变化图。
具体实验方案
本实验采用布拉格光纤光栅传感器进行温度测量。通过方案分析可知，在本在实验中，我们需要先制作一种光纤光栅传感器进行温度标定实验，以测量光纤光栅传感器的温度灵敏系数。然后，再制作另一种光纤光栅传感器进行试验台接触点温度测量实验，以测量轮轨试验台上大轮在接触点处的温度，所以我们需要分别进行两组实验。
光纤光栅温度标定实验
光纤光栅的温度标定实验主要是对光纤光栅的温度灵敏系数进行测量，同时采用裸光栅和封装后的光栅进行对比分析，得出光纤光栅的温度特性。将解调仪所连接的FBG温度传感器放入温控箱中,利用温控箱测量其在不同温度下的敏感特性，并通过光谱仪观察FBG中心波长的变化。
将实验装置布置好以后，打开电脑上的组态王(工控机上的控制软件，用来控制变频电机的运行状态)，点击“运行”，设置温控箱的温度在40°至140°之间可调，每次温度变化值为20°，再打开电脑上的解调软件，点击连接，接通解调仪与计算机(即工控机)信号传输，依次设置采样频率(为4KHz)、通道和增益(最大为79)，最后点击开始数据的采集，然后将所得的数据进行保存。由于温控箱内温度不均匀，因此每20分钟纪录一次FBG中心波长值，当温度增加到140°后，再依次递减至40°，多次测量并纪录FBG中心波长值，如表1和表2所示。
表1FBG1中心波长随温度变化测量数据
表2FBG2中心波长随温度变化测量数据
根据所记录的数据，取6次测量中FBG1和FBG2(FBG1和FBG2是指同一根光纤光栅在两次测量中的波长变化)中心波长随温度变化的平均值，对数据做线性回归分析，实验结果表明，在温度40-140℃范围内，FBG1温度灵敏度为13.2055pm/℃，线性拟合度R2为0.99615；FBG2温度灵敏度为18.38525pm/℃，线性拟合度R2为0.99888。如图3(a)和图3(b)所示分别为FBG1和FBG2的温度敏感特性曲线。
根据处理出来的数据可以得到，封装后的光纤光栅的温度灵敏系数更高，证明采用环氧树脂AB胶封装后可以增加光纤光栅的温度灵敏系数，而且封装后的光纤光栅的线性拟合度更接近于1，证明封装后的光纤光栅线性度更好，更加接近于真实的情况。因此本发明的实施例中光纤光栅采用密封胶封装，具体可采用环氧树脂AB胶。
为测量FBG对温度上升和下降过程测量的重复性，取表中温度递增和递减过程三次来回测量数据，分析两支FBG对温度测量可重复性特性。实验结果表明，递增和递减过程中同一温度值下，FBG1反射中心波长最大偏差为189.6pm，平均偏差为113.55pm；FBG2反射中心波长最大偏差为218.9pm，平均偏差为166.2pm，可以看出FBG2对温度递增和递减过程测量的重复性偏差较大。
综合上述分析，基于本试验台轮轨接触点温度测量实验，首先温度的变化是由于接触点摩擦生热引起的，其次只需要在连续的一段时间内对数据进行采样而不需要一连几天的多次进行重复实验，因此虽然FBG2的重复性偏差较大，但其温度灵敏度系数更高，所以觉得在进行本试验台实验的时候采用封装以后的光纤光栅对接触点进行温度的测量。
轮轨试验台接触点温度测量
在本实验中，由于试验台大轮需要转动，因此在大轮上封装后的光纤光栅不能直接连接到解调仪上，因为直接连接的话大轮的转动会带动光纤跳线的转动，从而导致接线头无法固定。为解决这种问题，可以把光纤连接线塞入联轴器里，从右侧拉出并进行焊接。
光纤连接处是一种非接触式的光纤连接器，其内部是一根光纤旋转接头，它的一端连接旋转中的光纤接头，另一端的光纤接头是不旋转的，因此我们可以从不旋转的这端焊接跳线连接到解调仪上，这样一来就解决了上述问题。
此实验为测量轮轨接触点的温度变化，因为其温度的变化是由于转动过程中接触点摩擦产生热量，因此升温过程较慢，故本次实验需要采用控制变量法进行多组实验并将其对比分析。打开电脑上的组态王，点击“运行”，设置大轮分别以100r/min、200r/min、300r/min的转速作恒速旋转，再打开电脑上的解调软件，点击连接，接通解调仪与计算机信号传输，依次设置采样频率(为4KHz)、通道和增益(最大为79)，分别在100r/min、200r/min、300r/min的转速下点击开始完成数据的采集，然后将所得的数据进行保存。在实验中，每隔五分钟纪录一次光纤光栅的波长值，相同转速下转动时间为20分钟，分别得到各组的数据。
实验过程中，由于八根光纤焊接在一起，同时由一根跳线接入解调仪，光纤走线途中穿过了部分实验台器件的内部，又通过一个非接触式的光纤连接器进行信号传导，所以光的损耗较大，解调到软件上面后八个波峰只有六个波峰的峰值达到了阈值，因此软件上面只显示了六个光栅的波长值。
使光栅峰值达到阈值的方法为增加增益，该软件增益最大只能调到79，实验中增益调到79后其波峰峰值还是达不到阈值，解决其问题的方法为减少光栅焊接的损耗以及增加软件增益的范围，由于实验条件和资源有限，因此实验中就只能取其六个光栅的波长数据进行分析。
为了便于比较数据，在封装每根光栅后都为了注明了标号，其示意图如图1所示。
之前提到过解决交叉敏感问题的方案选择为两端对称贴光栅，显示的六组数据中序号3和序号7相对称，序号4和序号8相对称。因此取所得数据中序号为3,4,7,8的光栅波长值。由于解调软件采样速度为4000Hz，因此求出每组数据的平均值，其结果如表3，表4所示。
表3 200r/min的平均波长
表4 100r/min的平均波长
根据表3和表4的数据进行分析，得到其波长与时间的线性关系图如图4(a)-4(d)以及如图5(a)-5(d)所示。
上述图是波长与时间的关系图，实线代表实际波长，虚线代表波长变化趋势，从所得各光栅线性图可以看出，有部分数据会有误差所以部分线性图中的波长并不是按照线性关系上升，但其波长趋势图都为上升的趋势。由之前做过的温度标定实验得出封装后的光纤光栅的温度灵敏系数大约为18.38525pm/℃，因为转速为100r/min时序号3，序号7和序号8的光栅线性趋势较好，转速为200r/min时，序号3和序号7的光栅线性趋势较好。因此选其数据进行分析。计算求得各转速持续20分钟后光栅波长的变化量，由温度灵敏度系数求出其温度变化值，结果如表5所示。
表5波长与温度变化值
从表中数据可以看出，转速为100r/min的时候，三个光栅的波长变化量都较为稳定，其平均波长变化为4.38pm,平均温度上升为0.238℃；转速为200r/min的时候，两根光栅的波长变化量差异较大，其原因是由于转速增加会导致大轮的振动变大，振动引起应变的变化也影响着光栅的波长变化。但其两根光栅的波长变化量都比转速在100r/min时要大，平均波长变化为19.274pm，平均温度变化为1.048℃。可以看出，在相同时间内，大轮的转速越高，其接触点温度的上升也就越快。
综合以上的实验数据分析得到结论，轮轨试验台接触点的温度在大轮转动过程中，相同转速下会随着时间的增加而上升；不同转速下转速越高温度上升的越快。
当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于光纤光栅旋转机械的温度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将中心波长各不相同的光纤光栅粘于大轮的一侧，在大轮另一侧对称的位置粘贴同样中心波长的光纤光栅，并依次标号；
将光纤光栅通过旋转连接器连接到解调仪上；
控制大轮变频电机的转速，随着大轮的旋转，大轮与小轮的接触点摩擦生热，并传递给光纤光栅；
解调仪内置的光源通过旋转连接器传输到光纤光栅中，光纤光栅的波长随温度的变化而变化，产生温度信号；
解调仪将光纤光栅的温度信号进行解调并将解调信号发送给工控机；
工控机接收解调信号并对其进行采集与分析，并根据采集和分析结果绘制各个光纤光栅的波长-时间变化图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，大轮两侧分别均匀粘贴至少4个光纤光栅。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制大轮在不同的转速下持续预设时间，并记录相应的温度信号。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，光纤光栅均沿大轮直径方向固定。
5.一种基于光纤光栅的旋转机械的温度测量装置，其特征在于，包括：
转动装置，包括大轮、小轮、齿轮箱、变频电机和变频器，大轮的一侧粘贴有中心波长各不相同的光纤光栅，大轮另一侧的对称位置粘贴同样中心波长的光纤光栅，每个光纤光栅均被依次标号，该大轮在变频电机的带动下发生旋转；小轮，与大轮接触，在大轮旋转时，小轮随之转动；
解调仪，通过旋转连接器与光纤光栅连接；解调仪内置的光源通过旋转连接器传输到光纤光栅中，光纤光栅的波长随温度的变化而变化，产生温度信号；解调仪将光纤光栅的温度信号进行解调，并将解调信号发送给工控机；
工控机，与变频器连接，用于控制大轮的变频电机的转速，随着大轮的旋转，大轮与小轮的接触点摩擦生热，并传递给光纤光栅；该工控机还用于接收解调仪发送的解调信号，并进行采集和分析，最后根据采集和分析结果绘制各个光纤光栅的波长-时间变化图。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述旋转连接器为非接触式光纤连接器，其内部设有光纤旋转接头，该光纤旋转接头的一端连接旋转中的光纤光栅的光纤接头，该光纤旋转接头的另一端不旋转且通过焊接跳线连接到解调仪上。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，该装置包括8根光纤光栅，该8根光纤光栅焊接在一起，再通过一根跳线接入解调仪。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，光纤光栅采用密封胶封装。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述密封胶为环氧树脂AB胶。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610707508.4A CN106323501B (zh) | 2016-08-23 | 2016-08-23 | 基于光纤光栅的旋转机械的温度测量方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610707508.4A CN106323501B (zh) | 2016-08-23 | 2016-08-23 | 基于光纤光栅的旋转机械的温度测量方法及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106323501A CN106323501A (zh) | 2017-01-11 |
| CN106323501B true CN106323501B (zh) | 2019-04-30 |
Family
ID=57742104
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610707508.4A Active CN106323501B (zh) | 2016-08-23 | 2016-08-23 | 基于光纤光栅的旋转机械的温度测量方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106323501B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111380634A (zh) * | 2019-01-21 | 2020-07-07 | 山东省科学院激光研究所 | 一种光纤光栅扭矩实时测量系统及测量方法 |
| CN110333052B (zh) * | 2019-04-10 | 2021-10-08 | 武汉理工大学 | 高温旋转部件测试平台 |
| CN112326081A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-02-05 | 南京航空航天大学 | 一种航空发动机扭矩监测方法及装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1414350A (zh) * | 2002-11-27 | 2003-04-30 | 南开大学 | 扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置 |
| CN1580722A (zh) * | 2004-05-19 | 2005-02-16 | 南开大学 | 温度自动补偿式光纤光栅力传感器 |
| CN101116593A (zh) * | 2007-08-03 | 2008-02-06 | 周林斌 | 手摇式加热杯 |
| CN102116692A (zh) * | 2011-01-30 | 2011-07-06 | 宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司 | 一种光纤布拉格光栅压力传感器及其相应的测量方法 |
| CN104101380A (zh) * | 2014-07-02 | 2014-10-15 | 西安交通大学 | 行星轮系固定中心齿轮齿根应力应变的测量方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003307230A (ja) * | 2002-04-16 | 2003-10-31 | Nsk Ltd | 転動装置用センサ装置及びセンサ付転動装置 |
| JP4019052B2 (ja) * | 2004-02-04 | 2007-12-05 | ジヤトコ株式会社 | 歯車の噛み合い起振力推定方法及び装置 |
-
2016
- 2016-08-23 CN CN201610707508.4A patent/CN106323501B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1414350A (zh) * | 2002-11-27 | 2003-04-30 | 南开大学 | 扭转和温度同时感测的光纤光栅扭转传感装置 |
| CN1580722A (zh) * | 2004-05-19 | 2005-02-16 | 南开大学 | 温度自动补偿式光纤光栅力传感器 |
| CN101116593A (zh) * | 2007-08-03 | 2008-02-06 | 周林斌 | 手摇式加热杯 |
| CN102116692A (zh) * | 2011-01-30 | 2011-07-06 | 宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司 | 一种光纤布拉格光栅压力传感器及其相应的测量方法 |
| CN104101380A (zh) * | 2014-07-02 | 2014-10-15 | 西安交通大学 | 行星轮系固定中心齿轮齿根应力应变的测量方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "基于光纤光栅传感的扭振检测新方法";谭跃刚等;《武汉理工大学学报·信息与管理工程版》;20120228;第34卷(第1期);第2.2节 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106323501A (zh) | 2017-01-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106225910B (zh) | 基于光纤光栅的转轮振动测量方法及装置 | |
| CN106323501B (zh) | 基于光纤光栅的旋转机械的温度测量方法及装置 | |
| CN106353249B (zh) | 基于光纤光栅的瞬态滑动摩擦系数的测量装置及方法 | |
| CN101949744B (zh) | 一种基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统 | |
| CN100587433C (zh) | 一种扭矩光纤传感器 | |
| CN205655942U (zh) | 一种应变和温度同时测量的光纤传感器 | |
| CN201892586U (zh) | 一种基于光纤光栅的变压器内部温度检测系统 | |
| CN103575331A (zh) | 一种高温结构温度和应变的同时测试方法及标定装置 | |
| CN103411550A (zh) | 基于光纤光栅的内燃机主轴承内表面应力和温度监测方法 | |
| CN114295268B (zh) | 一种适用于强电磁环境的光纤光栅旋转扭矩测量系统 | |
| CN103115694B (zh) | 基于低熔点玻璃焊接的光纤光栅高灵敏度温度传感器 | |
| CN111380634A (zh) | 一种光纤光栅扭矩实时测量系统及测量方法 | |
| Xiong et al. | Fiber Bragg grating displacement sensor with high measurement accuracy for crack monitoring | |
| CN106248373A (zh) | 一种干式离合器各部件温度测试装置及测试方法 | |
| CN106769840B (zh) | 基于光纤光栅的滚动接触点瞬态横向摩擦系数的测量方法 | |
| CN102322894A (zh) | 一种全光纤型长周期光纤光栅溶液多参量传感系统 | |
| CN114235035A (zh) | 一种基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置 | |
| CN208238813U (zh) | 螺旋型光纤扭转传感器 | |
| CN105241572A (zh) | 单金属双灵敏度宽范围光纤光栅温度传感器及其封装方法 | |
| CN104165767A (zh) | 进给系统热态特性测试装置 | |
| CN216433081U (zh) | 基于光纤光栅的扭矩及温度多参量传感装置 | |
| CN203772449U (zh) | 一种高空间分辨率的光纤测温带 | |
| CN105370220B (zh) | 井下多参数测量短节 | |
| CN112484652B (zh) | 一组相邻的波峰波谷波长实现双折射光纤环镜应变在线测量方法 | |
| CN108613900A (zh) | 路用胶粉粘度检测装置及方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |